Wnt/OPG信號通路軸在類風濕關節炎骨破壞中的研究進展

高月 唐芳 馬武開 蘭維婭 蔣總 金澤旭 彭金龍 秦瑤

(1貴州中醫藥大學,貴州 貴陽 550002;2貴州中醫藥大學第二附屬醫院風濕免疫科)

類風濕關節炎(RA)全球發病率為0.5%～1.0%,我國發病率為0.42%,患病人數超過500 萬〔1,2〕。RA 患者在病程5～9年、10～14年及≥15年的致殘率分別為43.5%、48.1%、61.3%〔3〕,骨質破壞是其關節畸形甚至功能喪失的重要因素,引起RA骨破壞的具體分子機制復雜,尚在研究明確階段。目前,有研究稱Wnt/β-連環蛋白(catenin)信號通路和骨保護素/核因子-κB受體活化因子配體/核因子-κB受體活化因子(OPG/RANKL/RANK)信號通路是調節RA骨代謝,改善骨質破壞的2條重要通路〔4〕。當前治療RA骨破壞的藥物大多數屬于生物抑制劑,且療效并不顯著。本文擬綜述RA骨破壞與Wnt/OPG信號通路軸之間的相關性,為治療RA骨破壞提供新思路、新靶點。

1 RA骨破壞

骨代謝是指破骨細胞(OC)通過骨吸收過程除去陳舊骨或受損骨,成骨細胞(OB)形成新骨以替代舊骨或受損骨的過程〔5,6〕。這兩種骨細胞互相作用,相互影響,形成平衡狀態,這就構成了正常骨代謝過程中至關重要的一步。OB和OC之間的平衡狀態會受到諸多因素及物質的影響,比如炎癥因子、激素〔7〕等,從而形成病理形態。所以一旦OB和OC之間的平衡被打破,人體內的骨代謝過程將不能維持骨量恒定和骨組織的相關功能,從而導致相關疾病,如骨質疏松(OP)、RA、骨關節炎(OA)等的發生,表現為骨痛、骨骼畸形、骨折等臨床癥狀。

RA是全球慢性殘疾的主要原因之一,以侵蝕性、對稱性多關節炎為主要臨床表現的慢性、全身性自身免疫性疾病,基本改變為滑膜炎、血管翳、關節軟骨及骨的破壞,最終導致關節畸形和功能喪失〔8,9〕。其中骨破壞發生的主要形式包括關節邊緣和軟骨下骨的局灶性骨侵蝕;鄰近炎癥關節的骨丟失;系統性骨丟失〔10〕。在RA發生早期,關節周圍即會出現骨侵蝕或骨破壞現象,并隨著病情的進展而逐漸加重,同時也會發生廣泛性骨丟失,如OP的出現〔11〕。RA中除了自身抗體如抗瓜氨酸蛋白抗體(ACPA)等的產生影響OC生成分化之外,滑膜炎癥導致滑膜增厚、肥大,從而侵犯周圍軟骨和骨,最終引起RA骨破壞的發生〔10,12〕。骨破壞是RA活動性標志之一,提示疾病預后較差,需要高度重視〔13〕。

RA骨破壞發生的主要分子機制是炎癥、免疫因子等引起的骨代謝失衡,OC骨吸收增加,OB骨形成減少〔14〕。根據組織病理學檢測發現,RA中被破壞的骨表面存在大量OC〔15,16〕。Liu等〔17〕建立RA大鼠模型-CIA大鼠,對其踝、膝關節進行病理檢測,可見CIA大鼠踝、膝關節炎癥反應和骨破壞嚴重。萬磊等〔18〕收治20例RA患者,進行股骨頸、腰椎L2～L4、雙前臂的骨密度測定和骨形成、骨吸收標志物測定,結果顯示與正常組相比,骨密度值明顯下降,骨形成和骨吸收標志物略有改變。其中,眾所周知,OPG/RANKL/RANK信號通路的激活與OC活性增強,導致骨吸收增加,骨量下降,而Wnt/β-catenin信號通路與OB激活,骨生成增加相關。這2條信號通路的相互作用以調控RA骨代謝的機制值得進一步探索,并以此為基點尋找出抗RA骨破壞的治療手段。

2 Wnt/OPG信號通路軸

2.1Wnt/β-catenin信號通路 Wnt/β-catenin信號通路是一類主要由β-catenin介導的、多種蛋白參與的高度保守的信號通路〔19〕。其從胚胎時期至人生長發育期間,參與細胞增殖、分化、凋亡,影響人體各種生理病理過程。當受體卷曲蛋白(FZD)與單跨膜分子低密度脂蛋白受體相關蛋白(LRP5/LRP6)協同,形成FZD-LRP二聚體時結合Wnt配體,Wnt/β-catenin信號通路激活。從而抑制β-catenin磷酸化,使β-catenin在細胞質內積累,隨后進入細胞核內與T細胞因子/淋巴樣增強因子(TCF/LEF)結合,參與相關靶基因的表達或轉錄以促進骨髓間充質干細胞(BMSCs)向OB分化。Wnt/β-catenin信號通路的抑制因子如DKK1、骨硬化蛋白(SOST)在OC骨吸收的作用廣受關注。有研究表明,Wnt/β-catenin信號通路參與骨免疫調節,在相關疾病中,TNF-α等炎癥因子激活DKK1,從而使OB骨形成減少,OC骨吸收相對增多〔20〕。

2.2OPG/RANKL/RANK信號通路 OPG/RANKL/RANK信號通路作為免疫系統中的骨代謝家族新成員之一,是OC生成分化,導致骨吸收的顯著標志物〔21〕。在20世紀90年代末,研究者們明確了此信號通路主要由RANKL、RANK、OPG同屬于TNF和其受體超家族的3個因子共同組成〔22,23〕。RANKL又稱為OPG配體(OPGL)、破骨細胞分化因子(ODF),屬于一種Ⅱ型跨膜蛋白,主要由OB或T細胞產生后形成一種同源三聚體蛋白,與其受體RANK結合〔24〕。RANK主要由OC前體細胞、成熟的OC和免疫細胞,如樹突細胞、巨噬細胞和小膠質細胞所表達〔25〕。除了RANKL和RANK,OPG同樣是此信號通路中的重要組成部分之一。1997年Lacey等〔26〕研究者在體內外實驗中發現其能夠阻止OC生成,與骨吸收過程相關。經過多年研究證實,OPG作為RANKL可溶性誘餌受體,屬于同源二聚體蛋白,同樣由OB生成,能夠同RANK競爭性與RANKL結合,使RANKL/RANK信號軸失活,抑制OC生成分化,激活相關免疫因子,起到骨保護作用〔23,27〕。

近年來,對與OPG/RANKL/RANK信號通路與骨代謝過程的研究得到廣泛關注。當特定因子如炎癥因子作用于此信號通路,刺激RANKL與RANK結合,招募銜接蛋白TNF受體相關因子(TRAFs),其中TRAF6與此信號通路中的RANK在OC前體細胞胞質內的連接最為合適,隨后激活TNF-κβ、C-Fos等因子,使活化T細胞核因子(NFATc1)表達上調,最終促進OC分化〔28～30〕。從上述得知,此信號通路中涉及OC與OB的生成分化,RANKL/RANK信號軸促進OC生成分化,而OPG/RANKL的比率上升則意味著骨吸收減少,這為探究以骨破壞為病理特征疾病的治療手段提供新思路。

2.3Wnt/OPG信號通路軸 Wnt/β-catenin信號通路和OPG/RANKL/RANL信號通路分別調控骨代謝過程中的OB和OC生成分化。OC骨吸收與OB骨形成相輔相成,OB產生RANKL和OPG以調控OC骨吸收,共同完成一次新骨與破損骨之間的轉換更替〔24〕。當Wnt/β-catenin信號通路被激活,OB生成增加,刺激更多OPG的產生,OPG與RANKL結合更為容易,OPG/RANKL比率上升,從而使RANKL/RANK信號軸失活,OC生成減少,以調控骨代謝〔31,32〕。針對這一機制,有研究者提出Wnt/β-catenin信號通路可通過改變OPG/RANKL比率影響骨生成〔33〕。

Glass等〔34〕通過細胞和分子實驗表明β-catenin與TCF蛋白通過調控OPG以影響OB表達,抑制OC分化。隨后,Kramer等〔35〕通過動物實驗表明β-catenin缺陷小鼠OPG表達下降,OPG/RANKL比率減低,從而OC骨吸收增加,導致小鼠出現骨量減少,證明β-catenin是骨細胞表達OPG所必需的。Huang等〔36〕實驗證實,口腔科中大顆粒噴砂酸(SLA-LI)表面種植體通過Wnt-RANKL/OPG信號軸可增強其在體內的骨形成、骨融合。從上述可知,Wnt/OPG信號通路軸與骨代謝相關,為更進一步研究Wnt/OPG信號通路軸與RA骨代謝失衡之間的具體分子機制奠定基礎。

3 Wnt/OPG信號通路軸與RA骨破壞

在RA中,Wnt/β-catenin信號通路的抑制因子DKK1表達量上升,抑制其激活,導致OB生成減少,骨破壞加重〔37〕。Ruaro等〔38〕進行臨床研究,表明RA活動期患者血清DKK1水平明顯升高,加速骨丟失和骨破壞。然而,RA中骨破壞發生機制也與OPG/RANKL/RANK信號通路失調控相關〔39,40〕,其中RANKL是引起RA骨破壞的主要因子之一,能夠與RANK結合后激活此信號通路,與巨噬細胞集落因子(M-CSF)共同作用以促進OC前體細胞分化成OC,引起RA骨破壞〔41〕。Sun等〔42〕通過在CIA大鼠模型的關節腔內注射激素藥物,使RANKL表達量上升,顯微(micro)-CT可見比模型組更明顯的骨質破壞。近年來,RANKL作為RA治療骨質破壞的潛在靶點之一,研究RANKL拮抗劑稱為熱點〔43〕。同時,OPG作為RANK的競爭性受體,可以抑制OC生成分化,也成為探索RA骨破壞治療方法的目的因子之一。Hairul-Islan等〔44〕進行體內實驗研究獐芽菜苦甙通過OPG/RANKL/RANK信號通路抑制RA骨破壞的發生機制,表明此物質能增加OPG表達水平以表現出抗OC活性。

Wnt/β-catenin信號通路對RA骨代謝的調控與OPG/RANKL比率的變化密切相關〔45〕。但是,目前Wnt/OPG信號通路軸在RA骨破壞中發揮的具體分子機制尚未明確,需要更進一步的研究。

綜上,RA的病理特征包括血管翳生成,滑膜炎癥產生,骨及軟骨破壞,其中骨及軟骨破壞一直伴隨著RA的病程進展。若治療不當會加重病情,嚴重影響RA患者生活質量。Wnt/β-catenin信號通路和OPG/RANKL/RANK信號通路在人體骨代謝中都起到重要作用,兩者通過OB的生成和OPG的產生進行相互作用。通過Wnt/OPG信號通路軸研究RA骨代謝,不但可以進一步明確RA骨破壞發生的具體分子機制,還可以為探尋治療RA骨質破壞的方法,提高RA患者疾病后期的生活質量提供一種全新思路。